鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工技術研究

摘要：為了提高水泥攪拌樁在鐵路軟土路基施工中的強度，對鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工技術進行研究。通過計算水泥土的抗壓強度、抗剪強度和水泥土的變形模量，確定水泥土材料的力學特性。通過室內實驗得到水灰比和水泥摻入比對水泥土抗壓強度的影響，選定了施工技術參數(shù)，結合水泥攪拌樁加固施工流程，實現(xiàn)鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工。成樁檢測結果表明：將該技術應用在鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工中，將水泥摻入比和設置為20%，30r/min能夠滿足水泥攪拌樁體在鐵路軟土路基中強度要求。

關鍵詞：軟土路基；力學特性；加固施工；抗壓強度；水泥攪拌樁

0 " 引言

隨著國內經濟發(fā)展的速度越來越快，各大城市間的交通運輸壓力逐漸增大，為了緩解鐵路運輸壓力、提高運輸效率，國內修建了許多新的客運專線和高鐵[1]。但由于高鐵施工過程，面臨著工程量大，施工周期緊張等問題，導致施工難度大。為了確保鐵路運輸?shù)陌踩裕涌焓┕みM度，減少運行和維修費用，人們對國內的鐵路施工建設和運行管理模式提出了高要求[2]。

在高速鐵路施工過程中，路基與基礎的加固是一項十分關鍵的工作，直接影響到后期高速鐵路的長期發(fā)展。為了增加基礎路基的承載力，降低沉降量，通常采用混凝土攪拌樁[3]。利用軟土地基水泥攪拌樁加固技術，不僅可以降低挖掘和拋石場臨時占地，保護生態(tài)環(huán)境，還可以有效降低施工成本。

葉朝良等人[4]通過大量的現(xiàn)場水泥漿灌注樁的技術實驗，用來驗證水泥攪拌樁在坡麓邊坡軟土工程中的安全性能，通過鎮(zhèn)雄站沿線進行模擬實驗，獲取坡麓坡面上存在的分層特征，發(fā)現(xiàn)土體和水泥柱之間存在著較大的差異，會造成工程質量問題。同時通過大量的實驗，證明了采用單根混凝土攪拌樁對坡麓相邊坡的軟黏土進行補強是不合適的，采用空攪可使原有的軟黏土結構發(fā)生改變，使其黏合力減小，從而確保噴漿攪拌樁在施工中的均勻度。

陳良志等人[5]利用三維彈性力學軟件PLAXIS3D技術，對組合指數(shù)與實樁的計算結果進行比較，并以某斜坡式海堤工程為例，運用三維彈性力學方法，將其應用于實際軟弱地基的土拱效應分析中，獲取樁端平面上樁土之間的沉降差。通過水泥攪拌樁對軟基加固的約束作用，使其更加符合實際施工的標準。研究結果表明，該方法可以真實地反映出軟土地基的位移情況，具有較好的使用性能。

基于以上研究背景，本文針對鐵路軟土路基水泥攪拌樁設計一種加固施工技術，從而保證水泥樁的穩(wěn)定性。

1 " 工程概況

某鐵路工程項目工程全長20.4km，橫跨兩條大橋，起止樁號為K280+470～K320+322，其中軟土路段主要分布在K298+309～K304+304段和K310+420～K318+176段，軟土路基主要由塑性黏土、淤泥質土、軟弱的粉土和淤泥構成，靜力觸探錐尖阻力值在0.80MPa以下。

現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，K298+309～K304+304、K310+420～

K318+176段為河湖沖積平原，地勢平坦開闊，地層主要以淤泥和淤泥質土為主，還含有淤泥質、泥質土、礫石等，其中以軟-流塑狀粘性土為主，泥質粉砂巖、灰?guī)r、頁巖為其下伏基巖。研究段的地下水比較充足，主要由裂隙水和孔隙水組成，還包括一定量的巖溶水，具有較高的水位。

2 " 確定水泥土材料的力學特性

在鐵路軟土路基工程中，水泥攪拌樁加固施工所用到的水泥土材料，需要在抗壓強度、抗剪強度和變形模量上具備較高的性能[6]。抗壓強度的計算公式為：

（1）

式中：Fc代表水泥土遭到破壞時的最大荷載，A代表受壓面積。

而對于抗剪強度而言，與水泥土的抗壓強度有著密切的相關性，利用冪函數(shù)擬合的方法[7]，得到抗剪強度的計算公式：

Φ=3.2Rc0.6 " " " " " " " " " " " " （2）

水泥土的變形模量與抗壓強度仍然具有很強的相關性，通過擬合可以得到兩者之間的線性關系：

Eq=142Rc " " " " " " " " " " " " " （3）

根據(jù)以上指標，能夠確定水泥土材料的強度特性，為鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工提供指標依據(jù)。

3 " 選定施工技術參數(shù)

通過室內實驗選定水泥攪拌樁加固施工的技術參數(shù)。室內實驗通過制備水泥漿加固體試件，研究影響水泥攪拌樁加固工程的因素。在不同的水灰比下，采用室內試驗方法，研究水灰比、水泥混合比例對混凝土抗壓強度的影響[8]，如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出，在混凝土中加入水泥漿料后，其抗壓性能發(fā)生了明顯的變化，且在相同的摻量下，其抗壓強度隨水灰比的增加而下降。但是不斷增加水泥的摻入比后，水泥土的抗壓承載力下降得更迅速。隨著水泥摻入比例的降低，盡管混凝土的抗壓強度有所提高，但其均勻程度卻有所下降。經過全面分析，確定該項目中水泥漿的水灰比為0.50。

從圖2可以看出，不同水泥摻入比對水泥的抗壓強度有明顯的影響作用，水泥土的抗壓強度隨水泥摻量的增大而迅速增大。結合工程的實際情況，工程中水泥攪拌樁的水泥摻入比例為13%。

4 " 施工流程

水泥攪拌樁是一種不壓實的非擠土樁型，在加固施工過程中，通過不斷地攪拌，可以促進路基土體松散，利用水泥漿能夠迅速將路基中松散的土體凝結，從而達到加固軟土的目的。具體施工流程如圖3所示。

5 " 施工要點

5.1 " 施工準備

在鐵路軟土路基上進行水泥攪拌樁加固施工前，應首先清理現(xiàn)場，對于原有地基承載量不足的，可在原有地基的基礎上進行土石方填筑，使機器能順利通過。在此基礎上，通過實地勘察，決定攪拌樁的施工區(qū)域，按照設計圖上的要求把樣品放在樁基上，用木樁做好標記。

5.2 " 試樁

為了確定攪拌樁的鉆進速度、起重速度、攪拌速度、噴漿壓力和單位時間噴射速度等，一般采用5個以上的試樁。在此基礎上，水泥漿的設計滲透率為15%，選用P.O42.5等級的普通硅酸鹽水泥，其水灰比例在0.5～0.6左右，樁身無側限抗壓強度要求大于1.0MPa。試樁結束后，只有通過檢驗并經過監(jiān)理工程師批準之后，方可進行現(xiàn)場施工操作。

5.3 " 制備水泥漿

在制水泥漿時，應先進行鉆孔、攪拌等施工工藝，確定的水泥摻入量為15%，水灰比例按照0.5～0.6進行控制[9]。對配制的水泥漿進行攪拌，以確保漿液的黏度不發(fā)生分離，過濾掉沉淀物。

5.4 " 攪拌樁機鉆進下沉至設計樁底

攪拌樁機在下沉至設計樁底的過程中，包括3個施工步驟：

5.4.1 " 鉆井設備到位

首先使用步履式打樁機械，方便靠自己的步行系統(tǒng)進行定位，調整四條支架上的液壓平衡器，保證樁機設備機體處于水平狀態(tài)[10]；再將鉆柱提起，并與鉆頭同步。最后將鉆具垂直放在地面上，并以1%的垂直角度進行調整。

5.4.2 " 將攪拌器打入土壤中

啟動機械馬達，將鉆桿沿著導架鏈軌道下降，將攪拌器打入土壤中。鉆柱的沉降速率為lt;1.5m/min，電動機工作電流≤60A。

5.4.3 " 鉆機攪動和鉆進

為了防止泥土堵住注漿孔，在鉆孔時不能噴出泥漿，僅通過注入壓縮氣體就可以使鉆機攪動和鉆進[11]。在鉆孔達到設計樁底部后，在停止鉆孔前必須超過50cm。

5.5 " 提升攪拌樁機并噴漿攪拌至地面

在施工過程中，水泥攪拌樁的鉆桿需要勻速提升，并不斷地噴漿攪拌。噴漿攪拌現(xiàn)場施工如圖4所示。在實際操作中，按照以下步驟進行操作：

開啟注漿泵，從樁底部噴射泥漿，在抬起的同時，持續(xù)地攪動，使得土體與水泥在鉆孔深度的范圍內充分地混合。依據(jù)現(xiàn)場的條件和試驗樁施工的技術條件[12]，確定鉆孔的起重速率。為了將水泥與土體進行充分的攪拌，可對起重速率進行調整，并將鉆頭的轉動速度降低至每分鐘60次。通過計算機直接測量和監(jiān)控水泥漿噴射到土壤中的水泥漿量，輸出打印施工過程中的各項參數(shù)。

5.6 " 復攪噴漿下鉆至樁底

初次噴漿時，需要不斷攪拌水泥漿，并向上提升鉆桿，將鉆桿上升到地表后，反復進行攪動。然后繼續(xù)注入水泥漿，直至達到設計的樁底部，將水泥漿與土體重新進行充分攪拌和混合[13]。

5.7 " 提升攪拌樁機復攪至地面

再次提升鉆桿并重復攪拌土體至地面過程，由以下3個步驟完成：

第一步：當沉降和復攪到樁的底部時，再進行二次抬高攪拌，使土體更好地混合。

第二步：在距離樁頂1～1.5m處進行起重和攪動，然后在離樁頂1～1.5m處添加一次注漿液，繼續(xù)攪動，將其提升出地表。

第三步：采用計算機，實現(xiàn)對鉆孔深度范圍內每一段土體補漿數(shù)量的自動調節(jié)，確保二次噴漿后每一段的噴漿速度都是相同的，從而使得混合后的土體與摻配水泥漿的數(shù)量保持一致。

5.8 " 移位清洗

在樁機位移清洗階段，需要將鉆桿提升并復攪到地表，由4個支腳的液壓均衡機構將其壓縮[14]，再由其本身的履帶移動機構移動到下一個樁位。

如果在攪拌樁完成后不再使用樁機，或者在工程進行到一半的時候需要暫停或需要很久復工時，可以向攪拌桶內注入水。打開灰漿泵，讓水從所有的管子里流出，將剩余的水泥漿沖洗掉，以確保下一次的噴漿過程不會堵塞。

5.9 "特別注意事項

在施工過程中還要特別注意以下幾個方面：

第一，在設計沉降時，按照設計圖紙，找出沉樁位置，然后用臨時樁做標志，使攪動功能在所指位置精確沉樁。

第二，在安裝攪拌機時，一定要確保攪拌機的平衡和豎直性[15]，并且要確保斜度不超過1%。

第三，水泥漿必須事先混合好，然后根據(jù)設計和施工的要求，將水泥漿混合均勻，倒入一個大桶中儲存。

第四，加快噴射攪動速率，當混合器達到攪拌目標時，可以調整特定的下沉高度，使之能獲得較好的噴漿效果，從而加快噴漿攪動速率。

第五，要從多個角度全方位地進行攪拌，為了獲得所要求的粘合狀態(tài)，必須將軟土與水泥漿混合均勻，增加攪拌速率可以增加黏性。

第六，在工程完工后要進行清理和更換。在使用期間，集料裝置會因為重復使用而出現(xiàn)一些污垢，為此要在里面加入熱水清潔灰漿泵，然后再將清洗后的泥漿泵移動到下一個柱位。

6 " 成樁檢測

6.1 "選取試驗段場地

在鐵路軟土路基工程中，軟土層會嚴重影響路基的承載力，還會降低道路的成品質量，因此不能將其作為持力層。根據(jù)工程項目的地質條件和施工現(xiàn)場的實際情況，將K310+420～K318+176段作為試樁段，其地質斷面如圖5所示。

6.2 "工藝性試樁方案

按照工程項目的設計文件，將水泥攪拌樁的直徑和長度分別設置為0.5m和15m，樁與樁之間的距離為1.2m，選擇45.0級硅酸鹽水泥制備水泥漿。為了保證實驗的準確性，需要控制水泥攪拌樁在加固施工過程中的鉆進提升速度。對于粘土層和淤泥層而言，將鉆桿的提升速度設置為1.4m/min。而對于粉土粉砂層而言，將鉆桿的提升速度設置為1.2m/min。

按照試樁方案，設置水泥摻入比為10%、15%、20%和25%，當樁機轉速不同時，進行成樁試驗。成樁過程中，將樁機的轉速分別設置為20r/min、30r/min和40r/min，一共12根試驗樁。試驗樁進行28天的施工之后，為了測試成樁效果，對12根試驗樁進行實驗，實驗內容如表1所示。

6.3 "試驗結果分析

利用試驗樁在鐵路軟土路基進行28d施工之后，將無側限抗壓強度設置為0.8MPa，靜載強度設置為97kN，得到試驗樁抽芯樣本無側限抗壓強度，如圖6所示。

從圖6的結果可以看出，當水泥摻入比不同時，試驗樁的無側限抗壓強度，無論是在較高樁機軸轉速下還是較低的樁機軸轉速下，都高于0.8MPa，滿足水泥攪拌樁的加固施工要求。當水泥摻入比相同時，增大機軸轉速可以增大無側限抗壓強度。其原因是水泥攪拌機在高轉速下，可以將地基土塊粉碎，使水泥均勻分布在基土中，大大提高了樁體的強度。

現(xiàn)場單樁靜載強度試驗結果如圖7所示。根據(jù)圖7可知，當機軸轉速一定時，增大水泥摻入比可以提高樁體的靜載強度。原因是增大水泥摻入比，可以增強水泥土中的固化反應，從而提高樁體的整體強度。當機軸轉速為30r/min、水泥摻入比為10%和15%時，得到的靜載強度比設計值小，因此水泥摻入比為20%和25%的試驗樁符合設計要求。

綜合以上結果可以發(fā)現(xiàn)，當水泥摻入比為20%、水泥攪拌樁機軸轉速為30r/min時，可以滿足水泥攪拌樁體的強度要求，符合鐵路軟土路基工程對施工工藝的要求。

7 " 結束語

在高速鐵路施工過程中，路基與基礎的加固是一項十分關鍵的工作，直接影響到后期高速鐵路的長期發(fā)展。利用軟土地基水泥攪拌樁加固技術，不僅可以降低挖掘和拋石場臨時占地，保護生態(tài)環(huán)境，還可以有效降低施工成本。

本文通過計算水泥土的抗壓強度、抗剪強度和水泥土的變形模量，確定水泥土材料的力學特性。通過室內實驗得到水灰比和水泥摻入比對水泥土抗壓強度的影響，選定了施工技術參數(shù)，結合水泥攪拌樁加固施工流程，實現(xiàn)鐵路軟土路基水泥攪拌樁加固施工。

實驗結果顯示，水泥摻入比為20%、機軸轉速為30r/min時，水泥攪拌樁體滿足施工要求。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以結合工程施工的實際費用與現(xiàn)場處理效果，分析水泥攪拌樁在鐵路軟土地基的適用性。

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